La litosfera

La Tierra es un planeta tan complejo en su superficie como en su interior. Por debajo del suelo se extiende una estructura de la que el ser humano sólo posee conocimiento directo de su parte más externa, una porción que resulta ínfima comparada con las dimensiones totales del planeta. La investigación de su interior más profundo sólo resulta posible mediante el uso de medios indirectos, como el análisis de la propagación de ondas sísmicas.

Tales investigaciones han permitido determinar que la Tierra está compuesta por una serie de capas concéntricas de características muy diferentes entre sí, tanto en composición como en comportamiento mecánico. Si se presta atención únicamente a la composición de los materiales, la Tierra se divide en corteza, manto y núcleo.

La corteza y la parte más exterior del manto forman a su vez una capa sólida denominada litosfera. Esta capa no es continua sino que se encuentra fracturada en grandes fragmentos a modo de un gigantesco rompecabezas que abarca la superficie del planeta. Cada fragmento se conoce como placa tectónica, que abarca sólo parte de la litosfera continental, sólo parte de la oceánica o placas mixtas. Los continentes se ubican sobre las mayores de las placas tectónicas.

Las zonas de contacto entre placas albergan una gran complejidad geológica y sufren con frecuencia violentas actividades sísmicas y volcánicas. En dichos lugares se encuentran algunas de las formaciones geológicas de mayor importancia del planeta, como las grandes cordilleras y las fosas oceánicas. La complejidad del sistema que forman las placas tectónicas se acentúa si se tiene en cuenta que éstas no son estáticas sino que experimentan un movimiento lento pero continuado.

Mapa de distribución de movimientos sísmicos ocurridos en Centroamérica entre los siglos XVII y XX. El estudio de las ondas sísmicas permite investigar las propiedades de los materiales en el interior de la Tierra.

La estructura interna de la Tierra

La investigación de la estructura y composición del interior de la Tierra se basa en el estudio de las ondas sísmicas. Cada vez que tiene lugar un movimiento sísmico, o una explosión controlada con fines científicos, la energía liberada se transmite en forma de ondas. Estas ondas circulan a través del terreno, provocando una vibración en los materiales que lo componen.

Los cambios en la velocidad de propagación de las ondas sísmicas cuando éstas alcanzan determinadas profundidades hicieron pensar a los investigadores que, en tales puntos, existe una discontinuidad en la naturaleza de los materiales del interior del planeta. El estudio de las ondas permite además diferenciar entre las zonas donde los materiales se encuentran en estado líquido, es decir, fundidos, y que poseen un comportamiento plástico, y entre las que se hallan en estado sólido y cuentan con un comportamiento rígido.

En el primero de los casos sólo se transmiten las ondas sísmicas de compresión, conocidas como ondas P. En el segundo se comunican tanto las de compresión como las de cizalla o transversales, las cuales reciben la denominación de ondas S. Las discontinuidades, ya vengan dadas por las diferencias en composición o por el estado de los materiales, dividen el interior de la Tierra en capas.

Sin embargo, la clasificación de las capas de que se compone el planeta se puede realizar basándose en dos criterios muy diferentes, aunque relacionados. El primero es la composición de los materiales que constituyen las capas. El segundo atiende a las propiedades mecánicas de estos materiales, en qué estado físico se hallan, si son plásticos o elásticos, etc. Ambos criterios dan lugar a dos modelos de descripción de la estructura del planeta: estático y dinámico.

El modelo estático

Basándose en los cambios de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas es posible dividir el interior de la Tierra en tres capas concéntricas: corteza, manto y núcleo. En la figura 2 se estudian las características de cada una de ellas.

Gráfico que muestra un corte transversal del planeta en el que se aprecian las capas del modelo estático.

La corteza. Representa la capa más externa de las que componen el planeta. Posee un espesor variable, dependiendo de las zonas. El espesor de la llamada corteza oceánica oscila entre 6 y 12 km, mientras que el de la corteza continental se encuentra entre 25 y 70 km. Esta capa se caracteriza por la velocidad de propagación de las ondas sísmicas P en su seno: inferior a los 7 km/s.

El límite entre la corteza y la capa situada por debajo de la misma, el manto, viene marcado por la llamada discontinuidad de Mohorovicic, zona donde tiene lugar el cambio en la composición química de los materiales y también de la velocidad de propagación de las ondas sísmicas. Esta discontinuidad, a menudo conocida simplemente como Moho, cuenta con un espesor muy variable, que oscila entre valores inferiores a un kilómetro y de varios kilómetros.

En tal zona de transición, la velocidad de propagación de las ondas sísmicas posee un valor intermedio entre los de la corteza y el manto. El límite superior de la corteza es la superficie terrestre, donde entra en contacto tanto con la atmósfera como con la hidrosfera. Dadas sus diferencias en cuanto a estructura y composición es necesario marcar la distinción entre la corteza continental y la oceánica. Cabe hablar asimismo de una corteza intermedia, situada entre las dos anteriores y que aparece en ciertos márgenes continentales.

La corteza continental es la que se extiende por debajo de los continentes, sus márgenes y también por las regiones oceánicas de escasa profundidad. Comprende el 45 % de la superficie de la Tierra y los materiales que la componen poseen una densidad media más bien baja, alrededor de 2,7 g/cm3.

Una de las principales características de la corteza continental es la heterogeneidad de su composición. Los materiales que la componen son de muy diferentes tipos. En las zonas interiores de los continentes, por ejemplo, destaca la presencia de una capa superior de granitos, mientras que en los márgenes continentales abundan las rocas sedimentarias, a la vez que en las partes de la corteza continental que se adentran en regiones oceánicas se puede hallar gran cantidad de rocas basálticas.

De forma general, la corteza continental es una mezcla más bien caótica de materiales tanto ígneos como sedimentarios. El grado de metamorfismo aumenta a medida que lo hace la profundidad.

El granito es un mineral muy abundante en la superficie de las tierras continentales interiores.

Entre otros aspectos, la corteza continental se diferencia de la oceánica por su edad. La continental es mucho más antigua que la segunda, remontándose hasta cuatro mil millones de años de edad. A pesar de ello, sus materiales sufren una renovación continua merced a procesos como el vulcanismo, la erosión y la sedimentación.

La corteza oceánica, por su parte, cubre el 55 % de la superficie terrestre. Es más delgada que la continental pero más densa, con un valor medio de densidad en torno a 3 g/cm3. El hecho de que la corteza oceánica posea una densidad superior a la de la oceánica reviste una enorme importancia. Tal diferencia provoca que en las zonas donde entran en contacto los dos tipos de corteza la oceánica se hunda bajo la continental, menos densa. En este caso se dice que la corteza oceánica se subduce.

Gráfico que ilustra el fenómeno de subducción por el cual una zona de corteza oceánica se desliza por debajo de otra de corteza continental.

La corteza oceánica está constituida por tres capas. La primera o superior está formada por materiales sedimentarios y posee un espesor que ronda el medio kilómetro, si bien aumenta a medida que se aproxima a las zonas continentales. La segunda capa, denominada zócalo oceánico, la forman rocas ígneas dispuestas laminarmente y su espesor, o potencia, alcanza los dos kilómetros.

Por último, la tercera capa, la más profunda, se constituye de materiales metamórficos, con una potencia media de unos cinco kilómetros. Destaca la presencia de materiales basálticos.

En cuanto a la corteza intermedia o de transición, exhibe características tanto de la continental como de la oceánica. Su estructura, por ejemplo, es similar a la de la corteza continental, si bien su potencia es bastante menor, más próxima a la de la corteza oceánica, en torno a veinte kilómetros.

El manto. Constituye la capa intermedia del modelo estático de la Tierra. Llega aproximadamente hasta 2.900 m de profundidad y, en él, las ondas sísmicas transversales se propagan a una velocidad que supera los 8 km/h. El manto se divide en varias zonas. El manto superior abarca desde la discontinuidad de Mohorovicic hasta 400 km de profundidad.

Por debajo se extiende una zona de transición, entre 400 y 670 km. Finalmente el manto inferior llega hasta 2.900 km de profundidad, valor que lo convierte en la parte más voluminosa de la Tierra. El límite inferior del manto se halla marcado por la discontinuidad de Gutenberg. En conjunto, el manto representa el 69 % de la masa terrestre, así como el 84 % de su masa.

En cuanto a la composición química, se cree que el manto superior está formado por rocas del tipo de las peridotitas, pobres en sílice y con ausencia de feldespato. Esta opinión se sustenta en que, cuando los minerales que forman las peridotitas se funden, dan lugar a un líquido basáltico muy parecido al magma que surge del manto en las erupciones volcánicas. En el manto inferior destacan materiales como los silicatos.

Hay que señalar que, mientras que parte de la información conocida sobre la corteza se ha obtenido mediante la perforación de pozos y posterior extracción de muestras de materiales, nunca se ha excavado un pozo tan profundo que alcance el manto. Los conocimientos sobre esta capa de la Tierra provienen exclusivamente del estudio de las ondas sísmicas.

El núcleo. La capa más interna del planeta se llama núcleo. Dada la profundidad a la que se halla, resulta excepcionalmente difícil obtener información sobre el mismo. Por ello, su estructura permaneció desconocida durante largo tiempo, si bien hoy en día todavía restan muchas preguntas sin responder.

Según los estudios geofísicos, el núcleo se halla dividido en dos zonas. La primera es el núcleo externo, que se extiende desde la discontinuidad de Gutenberg hasta la llamada discontinuidad de Lehman-Jeffreys, a 4.980 km de profundidad, y en el cual la velocidad de propagación de las ondas P es de 11 km/s. A continuación se extiende una estrecha franja de transición de unos 140 km de potencia, donde las ondas P se propagan a velocidades entre 9,5 y 10,4 km/s.

Después aparece la segunda zona, o núcleo interno, que llega hasta el centro mismo del planeta, a 6.378 km de profundidad. En ella, la velocidad de las ondas P varía entre 8 y 10,4 km/s.

Formación basáltica de aspecto columnar. Los materiales basálticos predominan en la más profunda de las tres capas de la corteza oceánica.

El núcleo es una zona de alta densidad, entre 10 y 13 g/cm3. Esta característica se explica por los materiales que lo forman, principalmente hierro y níquel. Existe controversia en lo referido a la composición del núcleo. Mientras que se tiene la certeza de que el núcleo exterior se encuentra fundido, se especula con la idea de que el interior pueda estar formado por hierro puro en estado sólido.

De acuerdo con esta idea, el núcleo interno es una gran masa de hierro sólido que «flota» en el seno del núcleo externo y que gira a una velocidad ligeramente más rápida a la del resto del planeta. Además, su eje de rotación está desviado unos 10° con respecto al de la Tierra.

El modelo dinámico

De forma paralela al modelo anterior, basado en la composición química de los materiales que forman el planeta, se puede trazar otro, en este caso denominado dinámico (v. figura 6). Dicho modelo se basa en las propiedades mecánicas de esos materiales. El calificativo «dinámico» encuentra su razón de ser en que las propiedades mecánicas determinan, entre otras cosas, el estado físico en el que se encuentra y la posibilidad de que se produzcan desplazamientos en determinadas zonas del modelo.

En este nuevo planteamiento, la capa más externa de la Tierra recibe la denominación de litosfera, término que proviene del griego y que significa «esfera de piedra». La litosfera abarca tanto a la corteza como a la parte externa del manto superior. Se trata de una capa rígida, con una profundidad que oscila entre 75 y 100 km.

Gráfico que muestra un corte transversal del planeta en el que se aprecian las capas del modelo dinámico.

Por debajo de la litosfera se encuentra la astenosfera, que equivale a una franja poco profunda del manto. Abarca aproximadamente desde el límite inferior de la litosfera hasta 350 km de profundidad. Los altos valores de temperatura y presión que se dan en la astenosfera permiten que parte de sus materiales se encuentren fundidos. Esto hace que el conjunto posea una naturaleza plástica.

Después de la astenosfera se halla la mesosfera. Ésta llega hasta lo que en el modelo estático es la separación entre el manto y núcleo, es decir, la discontinuidad de Gutenberg. Por último, la endosfera equivale al conjunto formado por el núcleo externo y el interno. En su parte más externa, la interrupción de ondas sísmicas de cizalla, u ondas S, las cuales sólo pueden propagarse en terrenos sólidos, hace pensar que los materiales que la constituyen se hallan fundidos.

En el modelo dinámico, el borde del núcleo, lo que en el modelo estático es la discontinuidad de Gutenberg, pasa a denominarse nivel D. Estudios recientes han revelado que este nivel D no posee una superficie uniforme, sino que está salpicado de elevaciones y depresiones de hasta 10 km de altura que, según se cree, son consecuencia de desplazamientos del material líquido que forma el núcleo externo.

La litosfera continental

La zona de la corteza que comprende las zonas continentales del planeta se llama litosfera continental. Está formada por la corteza continental y la parte más exterior del manto. Su origen se sitúa en la abundante actividad volcánica que existió en tiempos pretéritos.

La acumulación de los materiales vertidos por los volcanes dio lugar a largo plazo a las masas continentales. Al mismo tiempo, la litosfera oceánica, de mayor densidad, comenzó a hundirse por debajo de la continental en sus zonas de contacto a medida que ésta crecía.

En la superficie de la litosfera continental destaca una serie de estructuras geológicas características de la misma, como las cordilleras, las cuencas sedimentarias y los escudos continentales. Las cordilleras o cinturones orogénicos suelen aparecer en los bordes de los continentes. Las rocas que las forman están muy plegadas y fracturadas.

Vista aérea del Himalaya (imagen vertical), un ejemplo de cordillera mecánica surgida de la colisión de grandes fragmentos de litosfera continental. En la imagen horizontal, los Andes entre Chile y la Argentina, cordillera térmica originada por el encuentro entre la litosfera continental y la oceánica.

Vista aérea del Himalaya (imagen vertical), un ejemplo de cordillera mecánica surgida de la colisión de grandes fragmentos de litosfera continental. En la imagen horizontal, los Andes entre Chile y la Argentina, cordillera térmica originada por el encuentro entre la litosfera continental y la oceánica.

Además, las zonas de cordillera suelen caracterizarse por una abundante actividad tanto volcánica como sísmica. La presencia de rocas fracturadas y plegadas, así como de volcanes y sismos, hace pensar que las cordilleras son producto de enormes esfuerzos en el seno de la litosfera. Las cordilleras mecánicas, como es el Himalaya, se engendran por la colisión de grandes fragmentos de litosfera continental, lo que produce que los materiales se plieguen y rompan, al mismo tiempo que se elevan.

Por otro lado, las cordilleras térmicas, como los Andes, aparecen en zonas donde la litosfera continental entra en contacto con la oceánica. Ésta, más densa, se hunde o subduce bajo la primera. El proceso hace que la litosfera continental se eleve en parte, mientras la oceánica se desliza por debajo. Así se forman pliegues y fracturas del terreno. Según la edad de los cinturones orogénicos, éstos se dividen en hercinianos, que son los más antiguos, y alpinos, o más recientes.

Los escudos continentales, o escudos precámbricos, puesto que datan de esta era geológica, son formaciones que aparecen en el interior de los continentes. Poseen una gran extensión y relieve más bien escaso. Debido a su antigüedad se hallan muy erosionados, de ahí la falta de relieve. Lo normal es que los escudos estén rodeados por cordilleras. En cuanto a su composición, destaca la abundancia de rocas metamórficas, alternadas con intrusiones de materiales ígneos. Algunos ejemplos de escudos precámbricos son el escudo canadiense y el siberiano, y en el hemisferio sur, el africano y el australiano.

Las llamadas plataformas estables se dan, por el contrario, en los bordes de los continentes, rodeando tanto a los escudos como a las cordilleras que los circundan. Se trata de extensas llanuras formadas por materiales sedimentarios.

Vista aérea de la cuenca del río Betsikoba, en Madagascar, una cuenca sedimentaria marginal.

Otras estructuras que se presentan en la litosfera continental y que albergan una notable importancia son las cuencas sedimentarias. Consisten en zonas donde la superficie terrestre se halla más baja que en las regiones circundantes. Tal diferencia de nivel favorece la acumulación de sedimentos en estas zonas, cuyo peso provoca que se hundan todavía más, aumentando las dimensiones de la cuenca. En estos lugares se encuentran algunos de los mayores yacimientos petrolíferos del planeta.

El margen continental

Los márgenes continentales conforman una zona de transición, formada por la parte de los continentes que se encuentra sumergida bajo los mares y océanos. Pueden dividirse en pasivos y activos.

Así, los márgenes pasivos se ubican sobre una única placa continental. Su posición en una sola placa hace que sean zonas geológicamente estables, con ausencia de movimientos sísmicos y actividad volcánica. Los márgenes continentales activos son los situados en una zona de colisión entre placas, lo que los convierte en zonas con presencia de sismos y volcanes.

El margen continental se encuentra dividido en dos zonas. En primer lugar está la plataforma continental, la parte de la litosfera continental que se extiende por debajo de la línea de las mareas y que se caracteriza por poseer una pendiente suave. En ella se depositan sedimentos de origen tanto mineral como orgánico. En las costas montañosas, como ocurre por ejemplo en el Perú y Japón, la anchura de la plataforma es muy reducida.

A continuación aparece una zona de fuerte pendiente, que desciende bruscamente hacia el fondo oceánico y representa la transición entre la litosfera continental y la oceánica. Esta pendiente, conocida como talud continental, cuenta con una inclinación de entre 5 y 25°, así como con una anchura en torno a 20 km. Debido precisamente a su fuerte inclinación, en el talud continental no se produce acumulación de sedimentos, sino que éstos se deslizan por el mismo hasta depositarse en su zona baja. Este lugar recibe el nombre de glacis continental.

A menudo los taludes continentales están surcados por una serie de cañones submarinos que descienden hacia el fondo oceánico. Se especula con que estos cañones pueden haber sido excavados por la erosión producida por las corrientes cargadas de sedimentos que se desplazan sobre el talud, y que se conocen por corrientes de turbidez.

La litosfera oceánica

Al igual que la superficie de los continentes se halla recorrida por una serie de formaciones geológicas características, como las cordilleras o las cuencas sedimentarias, en el fondo de los océanos sucede algo similar. En primer lugar destacan en el fondo oceánico unas extensas zonas con apenas relieve que se extienden desde la base de los taludes continentales hasta aproximadamente la línea central de los océanos.

Estas zonas, casi planas y recubiertas por una capa de sedimentos, reciben la denominación de llanuras abisales. Aunque resultan escasos, es posible encontrar en ellas algunos relieves. Los guyots son montañas submarinas, algunas de las cuales tienen su parte superior plana, como una meseta. También aparecen volcanes submarinos, como los pitones, que son formaciones más bien recientes y, por tanto, no erosionadas, y las mesas, más antiguas y erosionadas.

Sin embargo, las formaciones submarinas más destacadas son las dorsales oceánicas. Éstas consisten en un sistema de elevaciones submarinas, con apariencia de cordilleras, interconectadas entre sí y que recorren el fondo oceánico. Poseen una extensión de unos 70.000 km, anchura entre 3.000 y 4.000 km y altura de hasta 4.000 km. Pueden aparecer tanto en el centro de los océanos, como la dorsal atlántica, como junto a los continentes. Así sucede con la dorsal pacífica, que se extiende a lo largo de la costa de California.

Las dorsales oceánicas adoptan la apariencia de cordilleras submarinas. Pueden aparecer tanto en el centro de los océanos (en la imagen, vista satélite en la que se aprecia la dorsal atlántica) o junto a los continentes.

Las dorsales poseen una doble línea de crestas, que discurren paralelas entre sí. Entre ambas se abre una profunda grieta, denominada rift. En esta grieta, a través de una tupida red de fracturas y volcanes se produce un aporte de magma y materiales procedentes de la astenosfera terrestre.

El origen de la corteza oceánica se halla en las dorsales. Los materiales del manto, de naturaleza basáltica, surgen por el rift de forma continua y se solidifican al alcanzar el fondo oceánico y se van depositando a ambos lados del eje de las dorsales, de modo que se produce una expansión gradual de la litosfera.

Perfil topográfico del mar Caribe con, en primer término, la fosa de Puerto Rico, el punto más profundo del océano Atlántico.

No obstante, la litosfera oceánica no experimenta sólo un crecimiento; también existen zonas del fondo de los océanos en las que se destruye. Tales zonas son las fosas oceánicas, unas depresiones estrechas, de gran longitud y de una profundidad que alcanza hasta los once kilómetros. En su mayoría se encuentran en el océano Pacífico. En las fosas, los materiales de la corteza oceánica se hunden y regresan al manto. De forma más precisa, en estas regiones la litosfera oceánica, más densa que la continental, se hunde, o subduce, bajo ésta, de manera que alcanza el manto terrestre.

En suma, los materiales del manto surgen por el centro de las dorsales y contribuyen al crecimiento de la litosfera oceánica, la cual se hunde en las fosas para regresar el manto. Este proceso, lento pero continuado, es el causante de que la edad de los materiales que forman la litosfera oceánica sea mucho menor que la de los que forman la litosfera continental.

Tectónica de placas

La litosfera terrestre se encuentra dividida en una serie de grandes fragmentos denominados placas tectónicas, encajados entre sí. Dichos fragmentos están formados por la corteza terrestre y la parte más externa del manto. Se diferencia entre placas continentales, cuando están formadas sólo por una porción de litosfera continental, y que son las menos abundantes; placas oceánicas, constituidas por litosfera oceánica, y placas mixtas, que son las más frecuentes y que incluyen parte tanto de litosfera continental como oceánica (v. figura 11).

Gráfico que muestra los diferentes elementos que componen la litosfera oceánica.

Entre las placas en que se halla fracturada la litosfera, algunas revisten una especial importancia debido a sus grandes dimensiones: la africana, la eurasiática, la indoaustraliana, la norteamericana, la sudamericana y la antártica. De menor tamaño son, por ejemplo, la arábiga, la del mar Caribe y la de las islas Filipinas.

Las placas tectónicas flotan sobre los materiales que componen la capa terrestre inferior, según el modelo dinámico. Esta capa se llama astenosfera. Tales materiales se encuentran parcialmente fundidos y por tanto poseen una naturaleza plástica, lo cual permite a las placas desplazarse sobre ellos.

Aún no se conoce con precisión el mecanismo mediante el cual las placas tectónicas se desplazan sobre la astenosfera. Se sabe que los desplazamientos de las placas provocan que en las zonas de contacto entre ellas exista una fuerte actividad sísmica y volcánica. Ya se ha mencionado el mecanismo mediante el cual la litosfera oceánica se expande gracias a los materiales de la astenosfera aportados en las dorsales.

La litosfera está fracturada en diversas placas tectónicas cuyos movimientos son responsables de la actividad volcánica y sísmica.

El desplazamiento consiguiente de la litosfera oceánica hace que, cuando entra en contacto con la litosfera continental, se hunde debajo. Tal fenómeno tiene lugar cuando una placa litosférica oceánica alcanza a una continental, y es posible gracias a la diferencia de densidades que existe entre ambas. Si, por el contrario, entran en contacto dos placas con densidades iguales, no se da la subsidencia, sino que una placa se monta sobre la otra, generando así una línea montañosa.